白熾燈泡東山再起?通過「光回收利用」技術有望實現超高效率

2021-02-15 JC技術船

美國麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology,MIT)與普渡大學(Purdue University)的研究人員宣布,開發出了可在白熾燈泡中大幅提高可見光發光能量與投入電力之比(轉換效率)的技術。相關論文也已刊登在學術雜誌上。據介紹,在試製例子中,該技術實現了現有白熾燈泡3倍的轉換效率。理論上轉換效率有望逼近目前最高水平的白色LED。

為確認原理而試製的元件
用兩塊光子晶體板夾住鎢絲,將紅外線封閉起來。(Courtesy of the researchers/MIT )

白熾燈泡照明技術通過為鎢制電阻燈絲元件通入大電流,使其發熱至攝氏2700度(3000K)左右,將部分輻射能變成可見光來照明。雖然可以獲得與太陽光接近的自然光,但同時也存在一個需要解決的重要問題。那就是此前普通白熾燈泡的輻射能中,90%以上為紅外線,這部分能量會白白損失掉,無法用於照明,因此轉換效率僅為2~3%。

目前使用的白色LED照明可達到15~30%的轉換效率,實驗室水平的效率值最高可達到40%以上。白色LED燈泡隨著量產的加大,價格不斷下滑,包括日本在內的很多國家和地區都在考慮停止或禁止生產白熾燈泡。

據開發此次技術的研究人員介紹,理論上可將白熾燈泡的轉換效率提高至約40%。開發該技術的是2006年發布磁共振無線供電技術的MIT教授馬林·索爾賈希克(Marin Soljacic)等人。該技術採用了索爾賈希克一直研究的光子晶體。

光子晶體是一種折射率以波長左右的間距發生周期性變化的人工材料。特點是可以有選擇地使特定波長的電磁波發生反射或透射。

此次索爾賈希克等人對光子晶體進行了設計,使其可以透射可見光並反射紅外線,並將其配置在白熾燈泡的燈絲周圍。

這樣,在燈絲髮出的輻射能中,只有紅外線被光子晶體反射回燈絲,通過提高光源的溫度,重新對發光作出了貢獻。由於可重新利用原來以熱輻射形式損失的能量,並轉換為可見光,因此索爾賈希克等人將此次開發的技術稱為「光回收利用」技術。

此次,索爾賈希克等人為確認原理而試製的元件,將以前損失的大部分紅外線成功地封閉在了燈絲附近。獲得了6.6%的轉換效率。這一數值是傳統白熾燈泡的約3倍,與轉換效率不太高的螢光燈同等。

據索爾賈希克等人介紹,此次利用的光子晶體可使用能夠穩定供應的材料製作,生產工藝也可以直接使用現有成膜技術。(記者:野澤 哲生)

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